автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Исследование теплообменных поверхностей с использованием анизотропно-пористых материалов

СТРЕЛЬЧУК Руслан Олегович

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНИЗОТРОПНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05 23 03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень - 2008

003169687

Работа выполнена в ГОУВПО «Тюменском государственном архитектурно-строительном университете»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, член-корр РААСН, почетный работник ТЭК РФ, профессор Шаповал Анатолий Филиппович доктор технических наук, профессор Бодров Валерий Иосифович кандидат технических наук Размазин Геннадий Александрович

Ведущее предприятие:

Томский государственный архитектурно-строительный университет

Защита состоится 10 июня 2008 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212 272 01 в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете по адресу 625001, г Тюмень, ул Луначарского, 2, ТюмГАСУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан (э мая 2008 г

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета ТюмГАСУ В экстренных случаях копию отзыва можно направить по факсу 8-(345-2) 43-39-27, с последующей отправкой по почте

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Пронозин Я.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Теплообменники различного назначения широко используются практически во всех отраслях промышленности, и эффективность их работы оказывает заметное влияние на энергетический баланс страны Необходимость экономить энергию и материалы привели к усилиям, направленным на разработку более эффективного теплообменного оборудования Основной задачей является интенсификация теплоотдачи в теплообменнике

Методы интенсификации можно подразделить на пассивные, которые не требуют прямых затрат энергии и активные, требующие затрат энергии извне Использование новой технологии позволяет получить изделия из анизотропно-пористого материала (АПМ) в форме многоканальных труб со сквозными продольными каналами, ориентированными вдоль оси Таким образом создается развитая поверхность теплообмена

Объектом исследования являются теплообменные аппараты (ТА) Предметом исследования - теплообменные поверхности из анизотропно-пористых материалов (АПМ)

Цель исследования - определить теплотехнические и аэродинамические показатели теплообменных поверхностей из анизотропно-пористого материала в теплообменниках типа «вода-воздух», работающих в режимах вынужденной и естественной конвекции

Для реализации этой цели решались следующие задачи

- теоретически обосновать общий вид уравнения теплообмена в ТА с АПМ,

- проведение теплотехнических и аэродинамических исследований теплообменных поверхностей из АПМ в теплообменниках типа «вода-воздух» в режиме вынужденной и естественной конвекции и определения влияния на теплотехнические и аэродинамические характеристики геометрических параметров поверхностей ТА,

- получить критериальные уравнения, описывающие закономерности теплопередачи в теплообменных элементах из АПМ;

- теоретически и экспериментально определить гидравлические потери давления в ТА,

- разработать методику инженерного расчета ТА

Связь с тематикой научно-исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась в рамках целевой комплексной программы «Нефть и газ Западной Сибири», а также общеобластной программы «Энергосбережение в Тюменской области»

Методы исследований. Физическое и математическое моделирование физических процессов, системный подход и оптимизация, методы аналитического исследования функций, многовариантные расчеты

Достоверность и обоснованность: основные положения и выводы работы обоснованы теоретическими решениями, полученными с использованием методов математического анализа на основе известных физических законов теплообмена Кроме того, в работе использованы методы математического моделирования, основанные на использовании строгого математического аппарата, а полученные результаты сопоставлялись с известными результатами теоретических и экспериментальных исследований На защиту выносятся:

- математическая модель взаимодействия теплоносителей в ТА из АПМ,

- критериальные уравнения, полученные по теории подобия для определения коэффициента теплопередачи и аэродинамического сопротивления ТА из АПМ,

- методика инженерного расчета ТА из АПМ

Научная новизна диссертации заключается в следующем на основе теоретических и экспериментальных исследований получены критериальные уравнения теплопередачи и аэродинамического сопротивления в ТА из АПМ, на их основе разработана методика инженерного расчета ТА из АПМ, которую можно использовать при разработке и изготовлении теплообменных устройств для санитарно-технических систем, в частности воздухонагревателей, воздухоохладителей, теплоутилизаторов и др

Практическое значение и реализация работы состоит в том, что разработанные теоретические и методические основы расчета ТА из АПМ внедрены в проектных организациях и используются в учебном процессе

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на международных и Всероссийских конференциях в СПбГПУ, ВГАСУ, ТюмГАСУ, итоговой годовой конференции РААСН Результаты работы докладывались на кафедре ТГВ ТюмГАСУ

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, одна из них в журнале из списка ВАК.

Личный вклад автора заключается в разработке и оборудовании специальных стендов для проведения экспериментальных исследований теплообменников, позволяющих получать сравнительные теплоаэродинамические характеристики при различных соотношениях длины и диаметров ориентированных каналов Предложена методика расчета геометрических характеристик тепло-обменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволяющая определять необходимые параметры сложных поверхностей с достаточной степенью точности На основании проведенных экспериментальных исследований получены графические и числовые зависимости, на основании которых можно рассчитывать теплопередачу и аэродинамическое сопротивление теплообменников из АПМ с различными геометрическими характеристиками при равных параметрах теплообменивающихся сред

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 56 наименований и содержит 105 страниц текста, включающего 5 таблиц и 61 иллюстрацию, а также приложений

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, характер научной новизны, приведена практическая ценность и результаты апробации научных результатов

В первой главе диссертации проведен анализ областей применения тепло-обменных поверхностей с использованием анизотропно-пористых материалов

Теплообменники применяются во многих отраслях промышленности, и эффективность работы ТА оказывает влияние на энергетический баланс страны Необходимость экономить энергию привели к исследованиям, направленным на разработку более эффективного теплообменного оборудования

Вопросам изыскания эффективных форм поверхностей и различных способов интенсификации конвективного теплообмена посвящены работы многих специалистов Антуфьева В М , Бродова Ю М , Гухмана А А , Исаченко В П , Кирпичева М В , Кутателадзе С С , Лебедева П Д, Леонтьева А И, Лыкова А В, Михеева М А, Петухова С Б , Петровского Ю В, Ройзена Л И, Фастовского В Г и др Однако разработка высокоэффективных поверхностей все еще является одной из актуальных задач современного развития теплооб-менных аппаратов

Большой практический интерес представляет использование анизотропно-пористых материалов в качестве теплообменных поверхностей в теплообменниках типа «вода-воздух», работающих в режимах как вынужденной, так и естественной конвекции, в частности, в теплообменных устройствах систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

Предварительные исследования, проведенные во ВНИИГС показали, что применение в качестве теплообменной поверхности элементов из АПМ позволяет увеличить коэффициент теплопередачи, значительно повысить компактность теплообменников

Проведенный анализ показал, что теплообменные поверхности из АПМ найдут широкую область применения в теплообменном оборудовании, в част-

ности, в теплообменниках, служащих для нагрева (охлаждения) воздуха с помощью греющей (охлаждающей) воды

Для определения конкретной области наиболее эффективного применения необходимо получить зависимости для расчета теплопередачи и аэродинамического сопротивления теплообменников из АПМ с различными геометрическими характеристиками при разных параметрах теплообменивающихся сред На основе проведенного анализа в первой главе сформулированы цель и задачи исследования Результаты таких исследований для теплообменников, работающих в режиме вынужденной конвекции, приведены в третьей главе

Во второй главе приводятся экспериментальные исследования теплообменных поверхностей из АПМ

Экспериментальные исследования по определению теплотехнических характеристик теплообменных поверхностей из анизотропно-пористых материалов (АПМ) проводились на стенде

Принципиальная схема стенда для испытаний экспериментальных теплообменников с элементами из АПМ приведена на рис 1

Рис 1 Схема стенда для испытаний элементов теплообменных поверхностей из

АПМ

1- вентилятор, 2- дросселъ-клапан, 3- кольцевой отбор давлений, 4- термометр, 5- гибкая вставка, 6- испытываемый теплообменник, 7- крыльчатый анемометр, 8- микроманометр ММ-250, 9- ротаметр, 10-регулирующий вентиль, 11- термостат, 12- эл насос, 13- трубопровод греющей воды

Стенд работает следующим образом Подача воздуха по внутренним каналам теплообменника обеспечивается с помощью вентилятора (1), регулирование количества воздуха проходящего через теплообменник осуществляется с помощью двух дроссель-клапанов (2), установленных на всасе (на схеме не показан) и выхлопе вентилятора Гидродинамическое сопротивление испытываемого теплообменника определяется с помощью двух кольцевых отборов давления (3), и микроманометра (8), типа ММ-250 Температура воздуха на входе и выходе теплообменника определяется с помощью ртутных лабораторных термометров (4), с ценой деления шкалы 0,1°С Для предупреждения утечки теплоносителя по металлическим стенкам воздуховодов, теплообменник (6) с двух сторон снабжен резинотканевыми вставками (5) Расход воздуха определяется с помощью крыльчатого анемометра (7), установленного на выходе из воздуховода

Нагрев и циркуляция воды через испытываемый теплообменник осуществляется с помощью термостата (11) марки УТ-15 снабженного электронагревателем, электронасосом и устройством для поддержания постоянной заданной температуры на выходе из термостата Температура воды на входе и выходе теплообменника определяется с помощью термометров (4), установленных через специальные гильзы непосредственно в потоке жидкости Определение и регулирование расхода воды через теплообменник осуществляется с помощью стеклянного жидкостного ротаметра (9) и вмонтированного в его корпус регулирующего вентиля (10)

Теплообменник и прилегающие к нему участки воздуховодов и водопо-дающих шлангов тщательно теплоизолируются Для исследования теплотехнических и аэродинамических характеристик поверхностей из анизотропно-пористых материалов с прямоугольным профилем и внутренним каналом для прохода теплоносителя был разработан и изготовлен теплообменник, состоящий из ста отдельных элементов из АПМ, собранных в блок и заключенных в прямоугольный разъемный корпус с фланцами На фланцах установлены рейки, к которым крепятся раздаточные коллектора Распределение теплоносителя в

каждый элемент осуществляется с помощью гибких полимерных трубок Движение теплоносителя и воздуха организовано по принципу противотока

Также теплообменник испытывался в режиме воздухоохладителя Принципиальная схема стенда для испытаний приведена на рис 2 Стенд работает следующим образом Подача воздуха в теплообменник обеспечивается с помощью вентилятора (1), регулирование количества воздуха осуществляется с помощью дроссель-клапана (2) Подогрев воздуха осуществляется с помощью электрокалорифера (3) Температура воздуха и воды на входе и выходе из теплообменника определяется с помощью ртутных лабораторных термометров (6) Охлаждающая вода подается в теплообменник из водонапорного бачка (12), с помощью резиновых шлангов (8) Расход воды регулируется с помощью зажима (9) и определяется посредством мерного сосуда (10)

Расход воздуха определяется с помощью крыльчатого анемометра (11), установленного на выходе из воздуховода Аэродинамическое сопротивление определяется с помощью микроманометра типа ММ-250 (13) и двух кольцевых отборов давления (14)

Рис 2 Схема стенда для испытаний воздухоохладителя с теплообменной поверхностью из АПМ 1- вентилятор, 2- дроссель-клапан, 3- электрокалорифер, 4- гибкая вставка, 5-ЛАТР, 6- термометр, 7- испытываемый воздухоохладитель; 8- трубопровод охлаждающей воды, 9- регулирующий зажим, 10-мерный сосуд;11-аннемометр, 12- водонапорный бачек, 13- микроманометр, 14- кольцевой отбор давлений

Технические характеристики опытного образца приведены в табл 1

Таблица 1

Технические характеристики опытного образца воздухоохладителя с поверхностью из анизотропно-пористого материала

Площадь теплоотдающей поверхности, м2 1,95

Площадь фронтального сечения, м2 0,0353

Площадь живого сечения для прохода воздуха, м2 0,0227

Площадь живого сечения для прохода воды, м2 0,00102

Масса теплоотдающей поверхности (без корпуса и раздающих трубок), кг 1,72

Проведенные испытания экспериментальных моделей теплообменников с элементами поверхности из АПМ и сравнение по коэффициентам энергетических затрат на единицу поверхности, коэффициентам теплоотдачи и габаритным характеристикам показало, что по всем этим показателям поверхности из АПМ эффективнее ребристых труб и могут их заменить

В третьей главе приводятся результаты теплотехнических и аэродинамических исследований

Целью испытаний было получение зависимостей теплотехнических и аэродинамических показателей элементов теплообменной поверхности из АПМ от массовой скорости воздуха в живом сечении и геометрических параметров элементов (длины, наружного диаметра, эквивалентного диаметра единичного канала) Испытания проводились в диапазоне массовой скорости воздуха в живом сечении теплообменной поверхности от 2 до 20 кг/(м2 с) Расход и температура воды поддерживались на уровне, необходимом для получения достаточного градиента температур воды на входе и выходе теплообменника, влияние скорости воды на теплообмен не учитывалось В процессе испытаний определялись следующие величины

Производительность по теплоте со стороны воздуха по формуле

о.вт, (1)

где Се - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг К), С - массовый расход воздуха, кг/с, /вх, (вых - температура воздуха, соответственно, на входе и выходе из теплообменника, °С

Производительность по теплоте со стороны воды по формуле

Вт, (2)

где С„ - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг К), й - массовый расход воды, кг/с, температура воды, соответственно, на входе и выходе из теплооб-

менника, °С

Коэффициент теплопередачи от воды к воздуху по формуле

к= ( , 'Вт/(^ гра^' (3)

тг / вх вых вх 1 *вмдг\

К—2---

где Fя - площадь поверхности нагрева по воздуху, м2

Массовая скорость воздуха в живом сечении теплообменного элемента из

в г

АПМ по формуле =—.кг^м" с), (4)

Уже

/жс - площадь живого сечения теплообменного элемента, м2 Критерий Рейнольдса по формуле

п ¿и аЭкв

——, (5)

где в,, с — скорость воздуха в единичном канале теплообменного элемента, м/с,

- средний эквивалентный диаметр единичного канала, м, V - кинематическая вязкость воздуха, м2/с

сс

Критерий Нуссельта по формуле № =-—, (6)

X - теплопроводность воздуха, Вт/(м град)

р Ш

Критерий Эйлера по формуле ' (7)

же Р

где АН-аэродинамическое сопротивление элемента, р - плотность воздуха

Полученные в результате обработки экспериментальные данные теплотехнические и аэродинамические показатели по всему диапазону исследованных элементов представлены в виде графиков зависимостей к = /¡(Эр), ДЯ = /2(Эр) Некоторые приведены на рис 3-4

6 7 8 9 10 1214 16 1820 25 Ур иЛЛ. Рис 3. Влияние длины теплообменного элемента АПМ

на коэффициент теплопередачи

К,

кг/м-"*С

7 8 9 10 12 14 16 1820 25

\'р кг/мгс

Рис 4 Влияние диаметра каналов АПМ на коэффициент теплопередачи Анализ полученных результатов показывает, что коэффициент теплопередачи возрастает с увеличением диаметра единичного канала, уменьшением наружного диаметра элемента и его длины Аэродинамическое сопротивление, наоборот, при увеличении диаметра единичного канала и уменьшении длины элемента снижается Оба показателя существенно возрастают с увеличением скорости воздуха Таким образом, анализ показывает, что на теплоаэродинами-ческие характеристики теплообменной поверхности из АПМ влияют следующие определяющие факторы средний эквивалентный диаметр единичного канала (с/Э!св), длина канала (элемента), наружный диаметр элемента (£)), скорость воздуха в каналах (скорость в живом сечении) Коэффициент теплопередачи и

аэродинамическое сопротивление могут быть представлены в виде многофакторных мультипликативных моделей

ад

Ая=у;«в)/'(/)/3(/?)/;(ар) (9)

Для определения влияния различных определяющих факторов на к и АН и построения многофакторных математических моделей применялась обработка результатов эксперимента с привлечением статистических методов и ЭВМ Коэффициенты корреляции между двумя величинами, связанными зависимостью определялись после получения выборки объемов «г» значений (х,у) в эксперименте по формуле

г =_"!>-!> 1> (10)

В связи с тем, что результаты экспериментов корреляционно связаны более чем с двумя величинами, определялся общий коэффициент детерминации

=1-о->-;,,, )а - ^ > .о - ^), (п)

Полный коэффициент многофакторной корреляции определялся по формуле й = (12)

Так как определяющие факторы составляющие мультипликативные модели (8)-(9) являются взаимонезависимыми, параметры каждой из составляющих функций определялись раздельно Точность построенной математической модели определялась средней квадратичной ошибкой

(13)

п-1

Определение коэффициентов корреляции (10) и детерминации (11) и построение многофакторных математических моделей (8), (9) осуществлялось с помощью ЭВМ

В результате получены следующие зависимости

* = 33,959°78 Г037 <в25 £Г005, (14)

АН = 0,195а'19 <С96 1°45 Я0". (15)

Аэродинамические характеристики элементов из АПМ прямоугольного профиля аналогичны этим характеристикам для АПМ цилиндрического профиля и могут быть с достаточной степенью точности определены по формуле (15) Теплотехнические характеристики элементов из АПМ прямоугольного профиля отличаются от аналогичных для АПМ цилиндрического профиля за счет разной организации потока теплоносителя в элементе Пренебрегать параметрами теплоносителя в этом случае уже нельзя и в число определяющих факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи следует включить скорость воды во внутреннем канале

В четвертой главе проведено исследование области эффективного и целесообразного применения теплообменных поверхностей с использованием АПМ в различных конструкциях градирен

Теплообмен и гидродинамический режим при вынужденном движении воздушного потока в трубках теплообменников выражается известными критериальными зависимостями Ми=ф (Яе, Рг), Еи=\|/ (Яе, Рг) Так как в качестве нагреваемой рабочей среды был использован воздух, для которого Рг«0,7=сопз1 в исследуемом диапазоне температур и давлений, то в общем виде критериальные зависимости можно записать

N11 = Л 11ет (16)

и

Еи = В Яе", (17)

где АиВ - поправочные коэффициенты, тип — показатели степеней

Экспериментальные исследования показали, что с уменьшением диаметра каналов (радиуса кривизны) от с!вп= 30 мм до г/вн= 2 мм теплообмен характеризуется значениями, соответствующими области турбулентного режима, а гидродинамический режим при этом соответствует ламинарному течению Яе<2000

Анализируя данные, представленные на графиках (рис 5 и 6), можно сделать следующий вывод для всех диапазонов диаметров каналов ярко выражены две области, разделяемые точкой перелома и характеризуемые разной степенью интенсивности теплообмена и аэродинамического сопротивления

Рис 5 Графики зависимостей Nu=(f>(Re) для диаметров в диапазоне 2,0-30,Омм

Ей

30 >ч ,

8 У 6 4

d=2MM d~2мм 4 6 8 L /

за~7"~ •———.

200 300 400 500 600 800 1000 2000 Re

Рис 6 Графики зависимостей Еи=ц>(Яе) для диаметров в диапазоне 2,0-30,0мм

Точка перелома с уменьшением радиуса кривизны смещается в область меньших чисел Re, а с увеличением - ломаная в зависимости Nu=<p (Re) вырождается в прямую линию и влияние радиуса кривизны канала на теплообмен исчезает практически при диаметре канала, равном 34 мм (D34) Данный размер канала принят как базовый

Разделив области, характеризуемые разной степенью интенсивности теплообмена и аэродинамического сопротивления, условно на первую -1 и вторую

- II и представляя А, В, тип (16), (17) в свою очередь как функции от определяющего параметра (с1/ВЗА), где 4 - диаметр ¡-того канала в исследуемом диапазоне, а £)34 - базовый диаметр, запишем для каждой области зависимости (16), (17) в виде

I - область

II - область

1Ч=ср, Ей, = у, Мия=<р2 Еия=у2

Яе

Яе

гШ

^ л >

4^34 7

Яе

(18)

(19)

(20) (21)

Обработка результатов экспериментальных данных позволила установить вид зависимостей (18)-(21)

а) для первой области

№,=0,0147 ¿Г0663Ке0<,274°0"\ (22)

Еи; = 11,86 Ь° шКе~°6914° г°'; (23)

б) для второй области

=0,0515 Г04'4(24)

0 113т> -0 192 Ь

где Ь -соотношение

Еи„ = 0,351 6 Яе

А

(25)

Полученные результаты можно использовать для оценки процессов в теп-лообменных устройствах с гладкотрубной поверхностью при диапазоне диаметров Л =2-30 мм и соотношении Ш< 10, а также при формировании структуры анизотропно-пористых материалов в зависимости от гидродинамического режима воздушного потока и области применения

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе исследован новый вид теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала

Для проведения исследований разработаны и оборудованы специальные стенды, разработаны и изготовлены экспериментальные теплообменники позволяющие получать сравнительные теплоаэродинамические характеристики при различных соотношениях длины и диаметров ориентированных каналов

Предложена методика расчета геометрических характеристик теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволяющая определять необходимые параметры сложных поверхностей с достаточной степенью точности

На основании проведенных экспериментальных исследований получены графические и числовые зависимости, которые позволяют рассчитывать коэффициент теплопередачи и аэродинамическое сопротивление теплообменников из АПМ с различными геометрическими характеристиками при равных параметрах теплообменивающихся сред

Исследования теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволили установить что

• теплоаэродинамические характеристики теплообменных элементов из АПМ в большой степени зависят от таких геометрических параметров как длины и диаметра единичного канала, наружного диаметра элемента,

• при оптимальных геометрических параметрах теплообменная поверхность из АПМ обладает более высокой тепловой эффективностью по сравнению с традиционно применяемыми,

• теплообменные поверхности из АПМ можно успешно использовать для разработки и изготовления различных теплообменных устройств, в частности воздухонагревателей, воздухоохладителей, утилизаторов и градирен

Основные положения диссертации отражены в следующих работах

1. Стрельчук Р О Исследование теплообменных поверхностей с использованием анизотропно-пористых материалов/ А Ф Шаповал, Б В Моисеев, К Н Илюхин, Н В Налобин, Р О Стрельчук // Непрерывное архитектурно-строительное образование как фактор обеспечения качества среды жизнедеятельности Тр годичного собрания РААСН 2005г Москва-Воронеж, ВГАСУ, 2005 -С 262-267

2 Стрельчук Р О Энергосберегающие теплообменники с использованием анизотропно-пористых материалов/ АФ Шаповал, Б В Моисеев, КН Илюхин, Н В Налобин, Р О Стрельчук // Сб тр первой международной НПК «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» Том1 -СПб, Политехнический университет, 2005 -С 160-161

3 Стрельчук Р О Экспериментальное исследование на стенде теплообменника с использованием анизотропно-пористых материалов / А Ф Шаповал, Б В Моисеев, К Н Илюхин, Р О Стрельчук // Сб матер Всероссийской научно-практ конф «Энергосберегающие технологии, оборудование и материалы при строительстве объектов в Западной Сибири» -Тюмень ИПЦ «Экспресс», 2005 -С 112115

4 Стрельчук РО Оптимизация технико-экономических показателей теплообменных устройств с элементами из анизотропно-пористых материалов / А Ф. Шаповал, Б В Моисеев, К Н Илюхин, Р О Стрельчук // Сб научных трудов ТюмГАСУ-Тюмень ИПЦ «Экспресс», 2006 -С 92-95.

5 Стрельчук Р О Оценка теплотехнических и аэродинамических характеристик теплообменных поверхностей из анизотропно-пористых материалов/ А Ф Шаповал, Б В Моисеев, К Н Илюхин, Р О Стрельчук // Практика проектирования и строительства в мире и в России Тр общего собрания РААСН Том 2 Москва-С Петербург, 2006 -С 231-236

6 Стрельчук Р О Исследование области эффективного применения теплообменных поверхностей из анизотропно-пористого материала / А Ф Шаповал, Б В Моисеев, К Н Илюхин, Р О Стрельчук // Изв вузов Строительство -2008 №1 -С 62-65

Основные условные обозначения

Q- тепловой поток, Вт, Св - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг К), С - массовый расход воздуха, кг/с, Гвх, /вых - температура воздуха, соответственно на входе и выходе из ТА, °С, к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К), - площадь поверхности нагрева, м2, /ж с — площадь живого сечения ТА, м2, Ые - критерий Рейнольдса, ужс - скорость воздуха в единичном канале ТА, м/с, V - кинематическая вязкость воздуха, м2/с, N11 — критерий Нуссельта, а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К), с11КВ — ср эквивалентный диаметр единичного канала, м, X - теплопроводность воздуха, Вт/(м К), Ей - критерий Ейлера, р - плотность воздуха, кг/м3

Подписано в печать 25 04 2008 г Формат 60x84 1/16 Бумагатип№1 Услпечл 125 Тираж 100 экз Заказ №¡82 625000, Тюмень ул Луначарского, 2 Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, Редакционно-издательский отдел

Основные условные обозначения.

Введение.

1. АНАЛИЗ ОБЛАСТЕЙ ВОЗМОЖНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

АНИЗОТРОПНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ (АПМ).

Выводы по первой главе.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗ АПМ.

2.1. Экспериментальная установка для исследований в режиме вынужденной конвекции.

2.2. Определение геометрических параметров исследуемых поверхностей теплообмена.

2.3. Экспериментальная установка для исследований в режиме естественной конвекции.

2.4. Методика теплотехнических испытаний.

2.5. Разработка и изготовление экспериментальных образцов отопительных конвекторов.

2.6. Проведение теплотехнических испытаний.

2.7. Обработка результатов испытаний и сравнительные характеристики конвекторов.

Выводы по второй главе.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АПМ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ.

3.1. Теплотехнические и аэродинамические результаты испытаний.

3.2. Сравнительная анализ применения поверхностей из АПМ в теплообменниках типа «вода- воздух».

Выводы по третьей главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНОГО И ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АПМ В КОНСТРУКЦИЯХ ГРАДИРЕН.

4.1. Показатели использования оборотной воды на предприятиях.

4.2. Системы охлаждения оборотной воды.

4.3. Классификация и основные типы водоохладителей.

4.4. Градирни с теплообменной поверхностью с АПМ.

4.5. Теоретические аспекты ожидаемых теплотехнических и аэродинамических показателей градирен с элементами из АПМ.

4.6. Определение области эффективного применения теплообменных поверхностей из анизотропно-пористого материала.

Выводы по четвертой главе.

В - институте проблем материаловедения АН Украины разработан метод получения анизотропно-пористых материалов (АПМ) в виде стержней, труб, профилей различного сечения, имеющих сквозные каналы. Метод позволяет получать изделия-длиной от нескольких миллиметров до 1-2 метров и диаметром от долей миллиметра до десятков миллиметров. Сквозные каналы ориентированы вдоль оси изделия, их диаметр может варьировать от десятков микрометров до десятков миллиметров, количество каналов может изменяться от одного до нескольких тысяч, общая пористость материала может составлять до 70 -т- 80%. Метод прост, технологичен, экономичен, осуществляется при помощи стандартного оборудования для обработки давлением [37].

Отличительными особенностями указанных материалов являются ориентированная структура пор (каналов), постоянство их размеров, возможность получения^ изделий с большим отношением длины к диаметру, распределение каналов по сечению в требуемом порядке. Большой практический интерес представляет использование АПМ в качестве теплообменных поверхностей в теплообменниках типа «вода-воздух», работающих в режимах как вынужденной так и естественной конвекции, в частности, в теплообменных устройствах систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, утилизаторов и градирен. Поэтому исследования по определению теплотехнических характеристик теплообменных поверхностей из АПМ являются актуальными [44].

Предварительные исследования показали, что применение в качестве те-плообменной поверхности элементов из АПМ позволяет увеличить коэффициент теплопередачи в 1,5-2 раза и значительно повысить компактность теплообменников [36].

Объектом исследования являются теплообменные аппараты (ТА).

Предметом исследования - теплообменные поверхности из анизотропно-пористых материалов < (АПМ).

Цель исследования: определить теплотехнические и аэродинамические показатели теплообменных поверхностей из анизотропно-пористого материала в теплообменниках типа «вода-воздух», работающих в режимах вынужденной и естественной конвекции.

Для реализации этой цели решались следующие задачи:

- теоретически;обосновать общий вид уравнениятеплообмена в ТА;

- проведение теплотехнических и аэродинамических исследований теплооб-менных поверхностей из АПМ в теплообменниках типа «вода-воздух» в режиме вынужденной« и естественной^ конвекции и: определения влияния на теплотехнические и аэродинамические характеристики геометрических параметров» поверхностей ТА;

- получить критериальные уравнения; описывающие закономерности тепло-передачиштеплообменных элементах;

- теоретическиш экспериментально определить гидравлические потери давления в ТА;

- разработать методику инженерного расчета ТА.

Связь с тематикой научно-исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась в; рамках целевой комплексной программы «Нефть и; газ Западной? Сибири», а также общеобластной программы «Энергосбережение в Тюменской области».

Методы? исследований; Физическое И' математическое моделирование физических, процессов, системный подход и оптимизация; методы аналитического исследования функций; многовариантные расчеты.

Достоверность и' обоснованность: основные положения и выводы работы обоснованы теоретическими решениями, полученными с использованием методов математического анализа на основе известных физических законов теплопередачи. Кроме того,, в работе использованы методы*математического моделирования; основанные на использовании строгого математического аппарата; а полученные результаты; сопоставлялись с известными результатами теоретических и экспериментальных исследований; На защиту выносятся:

- математическая модель взаимодействия теплоносителей в ТА из АПМ;

- критериальные; уравнения; полученные по теории подобия для определения коэффициента теплопередачи и аэродинамического сопротивления ТА из АПМ;

- методика инженерного расчета ТА из АПМ

Научная новизна диссертации заключается в следующем: на основе теоретических и экспериментальных исследований получены критериальные уравнения теплопередачи и аэродинамического сопротивления в ТА из АПМ, на их основе разработана методика инженерного расчета ТА из АПМ, которую можно использовать при разработке и изготовлении теплообменных устройств» для санитарно-технических систем, в частности воздухонагревателей, воздухоохладителей, теплоутилизаторов и др.

Практическое значение и реализация работьрсостоит в том, что разработанные теоретические и методические основы расчета ТА из АПМ внедрены в проектных организациях и используются в учебном процессе.

Апробация работы: Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на международных и Всероссийских конференциях в: СПбГПУ, ВГАСУ, ТюмГАСУ, итоговой годовой конференции РААСН. Результаты работы докладывались на кафедре ТГВ ТюмГАСУ.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.

Личный вклад автора заключается в разработке и оборудовании специальных стендов для проведения экспериментальных исследований теплообменников, позволяющих получать сравнительные теплоаэродинамические характеристики при различных соотношениях длины и диаметров ориентированных каналов. Предложена методика расчета геометрических характеристик тепло-обменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволяющая определять необходимые параметры сложных поверхностей с достаточной степенью точности. На основании проведенных экспериментальных исследований получены графические и числовые зависимости, на основании которых можно рассчитывать теплопередачу и аэродинамическое сопротивление теплообменников из АПМ с различными геометрическими характеристиками при равных параметрах теплообменивающихся сред.

Структурами«объем работы. Диссертационная^работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 55 наименований и содержит 105 страниц текста, включая 5 таблиц и 61 иллюстрацию, а также приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе исследован новый вид теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала.

Для' проведения! исследований разработаны и оборудованы специальные стенды, разработаны и изготовлены экспериментальные теплообменники позволяющие получать, сравнительные теплоаэродинамические характеристики при различных соотношениях длины и диаметров ориентированных каналов;

Предложена методика расчета геометрических характеристик теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволяющая определять необходимые параметры сложных поверхностей с достаточной степенью точности.

На основании проведенных экспериментальных исследований получены графические и числовые зависимости на основании которых можно рассчитывать теплопередачу и аэродинамическое сопротивление теплообменников из АПМ с различными геометрическими^ характеристиками при равных параметрах теплообменивающихся сред.

Исследования теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволили установить что: а) теплоаэродинамические характеристики теплообменных элементов из АПМ в большой степени зависят от таких геометрических параметров как: длины и диаметра единичного канала; наружного диаметра элемента б) при оптимальных геометрических параметрах теплообменная поверхность из АПМ обладает более высокой тепловой эффективностью по сравнению с традиционно применяемыми; в) теплообменные поверхности из АПМ можно успешно использовать для работки и изготовления различных теплообменных устройств, в частности: воздухонагревателей, воздухоохладителей, утилизаторов и др.

1. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. -М.: Энергия; 1966. -182с.

2. Антуфьев В.М:. Сравнительные исследования конвективных поверхностей на основе энергетических характеристик. -М.: Энергомашиностроение, № 5, 1964.

3. Антуфьев В.М. Сравнительные исследования теплоотдачи и сопротивления ребристых поверхностей. -М.: Энергомашиностроение, № -2, 1961.

4. Антуфьев В.М. Экспериментальное исследование влияния, температурного фактора на теплообмен при поперечном обтекании пучков труб/ Известия вузов, Машиностроение, № 10, 1962.

5. М; Антуфьев; Влияние температурных условий потока и стенки на теплообмен при поперечном-омывании пучков труб капельной жидкостью. Инженерно-физический журнал, №-7, 1961.

6. Бажан П.И., Каневец Г.М., СеливерстовВ.М! Справочник по теплообменным аппаратам. -М.: Машиностроение, 1989. -366с.

7. Бакластов A.Mi, Горбенко В.А., Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. -М.: Энергоиздат, 1981. -336с.

8. Берман С.С. Расчет теплообменных аппаратов турбоустановок. -М.; JL: Гос-энергоиздат,1962. -240с.

9. Воронин Г. И., Дубровский Е. В. Эффективные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973. -96с.

10. Ю.Вегер Л. JI. Экономика научных исследований.-М.: Наука, 1981. -191с. П.Геращенко О. А. Основы теплометрии. Киев, "Наукова думка", 1971.

11. Григорьев В. А., Зорин В.М. Тепловые и атомные электрические станции; Книга: 3. Mr. Энергоиздат, 1982. С 560-566.

12. Гейштовт М. А., Бережинский Р. А. Эмпирические зависимости для расчета теплопередачи через оребренную стенку. . -М.: Теплоэнергетика, 1968, № 1. С. 73-75.

13. Дрейцер Г.А., Калинин Э.К. Исследование интенсификации теплообмена впродольно омываемом воздухом тесном пучке труб.- ИФЖ, 1968, т. 15, №3. С. 408-415.

14. Жукаускас А., Улинскас Р., Катинас В. Гидродинамика и вибрация обтекаемых пучков труб. -Вильнюс: Мскслас, 1984. -312 с.

15. Исаченко В: П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача.- М.: Энерго-издат, 1981. -417с.

16. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Козлов А. К. Исследование интенсификации теплообмена в продольно омываемых пучках труб с различными относительными шагами. ИФЖ, 1972, т. 22, №2, С. 242-247.

17. Калинин Э.К., Дрейцер Г.Д., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1972. -220с.

18. Кошкин В.К., Калинин Э.К. Теплообменные аппараты и теплоносители. М., Машиностроение, 1972. -200с.i

19. Красношеков Е.А. Сукомел A.C. Задачник по теплопередаче. -М.: Энергия, 1980.-288с.21 .Кутателадзе С.С. Теплопередача и« гидравлическое сопротивление. Справочное пособие. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 367с.

20. Кунтыш В. Б., Иохведов Ф. М. Влияние относительной глубины межреберной полости на тепловую эффективность, конвективный теплообмен пучков ребристых труб и интенсификация теплоотдачи в них. -Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1970, № 4, С. 127-136.

21. Кутателадзе С. G, Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче. -М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959. -414 с.

22. Лойцянский Л; Г. Ламинарный^ пограничный слой. М.: Физматгиз, 1962. -479 с.

23. Макаров В.И., Беличенко Ю.П.1 Рациональное исаользование и очистка воды на машиностроительных предприятиях. -Mi: Машиностроение,19881 272с.

24. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. -М.: Энергия, 1973. -319с.

25. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. -Л:1. Энергия, 1980. -144с.

26. Повышение эффективности и надежности теплообменных аппаратов-паротурбинных установок: Учебное пособие / Ю.-М. Бродов, К.Э. Арснсон, Г.Д. Бухман и др. Екатеринбург УГТУ, 1996. -298 с.

27. Пермяков В.А. Левин Е.С., Дивовы Г.В. Теплообменники вязких жидкостей применяемые на электростанциях. -Л: Энергоатомиздат, 1983. -175 с.

28. Ройзен Л.И1, Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей/ Под ред. В.Г. Фастовского. -М: Энергия, 1977. 256с.

29. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. -М.: Энергоатомиздат, 1982. -360с.

30. Стрельчук P.O. Энергосберегающие теплообменники с использованием анизотропно-пористых материалов/ А.Ф. Шаповал, Б.В. Моисеев, К.Н. Илюхин,

31. Н.В. Налобин, P.O. Стрельчук // Сб. тр. первой международной НПК «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Том1. -СПб, Политехнический университет, 2005. -С. 160-161.

32. Стрельчук P.O. Исследование области эффективного применения' теплообменных поверхностей из анизотропно-пористого материала / А.Ф. Шаповал, Б.В: Моисеев, К.Н. Илюхин, P.O. Стрельчук // Изв. вузов. Строительство. -2008. №1. -С.62-65.

33. Свешников А. А. Основы теории ошибок. JL Из-во Ленинградского университета, 1972.-122с.

34. Степанов.О.А., Моисеев Б.В., Хоперский*Г.Г. Теплоснабжение на насосных станциях нефтепроводов: Учебное пособие. М.': Недра, 1998. —302с.

35. Соколов Ю.'В., Стрельчук О.Б. Воздухонагреватели из элементов с продольными ориентированными каналами ж. "Водоснабжение и санитарная техника", №2, М., 1988.

36. Справочник по теплообменникам : В 2т. /Пер. с англ. под ред. В. С. Петухо-ва, В. К. Шилова. М., Энергоиздат, 1987.

37. Стрельчук О. Б., Соколов Ю. В., Манусов Е. Т. Оценка теплотехнических и аэродинамических характеристик теплообменных поверхностей из анизотропно-пористых материалов.// Вентиляция и кондиционирование воздуха.- Рига: Риж. политехи, ин-т, 1988.

38. Исследование возможности и экономической целесообразности создания,те-плоутилизаторов на основе поверхности с ориентированными внутренними каналами и наружным оребрением. Научно-исследовательский отчет. ВНИИГС ММСС СССР, Ленинград-Киев, 1986.

39. О. Б. Отрельчук, Д. Н. Борченко, Ю. В. Соколов и др. Исследование воздухонагревателей из многоканальных труб/ Энергосберегающие индустриальные системы теплоснабжения и вентиляции: Сб. науч. тр. ВНИИГС, Л;, 1988.

40. Соколов Ю.В., Стрельчук О.Б. Воздухонагреватели из элементов с продольными ориентированными каналами ж. "Водоснабжение и санитарная техника", №2, М., 1988.

41. Теплообменные аппараты из профильных листов. В.М. Антуфьев, В: В. Ивахненко и др.-Л.: Энергия, 1972. -127с.

42. Bondurant D. L., Westwater J. W. Performance of transverse fins for boiling heat transfer. Chem. Engng. Progress, Symp. Ser., 1971, v. 67, №113, p. 30-37.

43. Tsubouchi T., Masuda H. Naturalr convection heat transfer from horizontal cylinders with circular fins. In.: Heat Transfer. 1974, Tokio. NC 1.10.

44. Littlefield J.M., Cox j.e. Optimization of Annular Fins on a Horizontal Tube. -Warme- und Stoffbertragund, 1974, Bd.7, №2, S . 87-93.